Gedragskarakterisering van een Angelman Syndroom Muismodel

Angelman syndroom (AS) is een zeldzame neurologische ontwikkelingsziekte. De meest voorkomende genetische oorsprong van AS is een grote deletie van het 15q11-q13-gebied van het maternale chromosoom, dat wordt aangetroffen bij bijna 74% van de patiënten¹. Deletie van dit gebied veroorzaakt het verlies van UBE3A, het belangrijkste oorzakelijke gen van AS dat codeert voor een E3-ubiquitineligase. Het vaderlijke allel van het UBE3A-gen in neuronen wordt tot zwijgen gebracht in een proces dat bekend staat als imprinting. Als gevolg hiervan staat vaderlijke inprenting van het gen alleen maternale expressie in het centrale zenuwstelsel (CZS)² toe. Daarom leidt UBE3A-gendeletie van het maternale chromosoom tot de ontwikkeling van AS-symptomen. Bij mensen manifesteert AS zich rond de leeftijd van 6 maanden, met ontwikkelingsachterstand die aanhoudt in alle ontwikkelingsstadia en resulteert in ernstige slopende symptomen bij getroffen personen ^3,4. De kernsymptomen van de aandoening zijn het tekort aan fijne en grove motoriek, waaronder schokkerige ataxische gang, ernstige spraakstoornissen en intellectuele achterstand. Ongeveer 80% van de AS-patiënten lijdt ook aan slaapstoornissen en epilepsie. Tot op heden zijn de enige beschikbare behandelingen symptomatische geneesmiddelen, die epileptische aanvallen verminderen en de slaapkwaliteit verbeteren¹. Daarom zal de ontwikkeling van robuuste diermodellen met reproduceerbare gedragsfenotypen naast verfijnde fenotyperingsanalyse essentieel zijn om de pathofysiologische mechanismen van de aandoening op te helderen en effectieve medicijnen en behandelingen te ontdekken.

De complexiteit van de menselijke aandoening die het CZS beïnvloedt, vereist dat modelorganismen een vergelijkbaar genoom, fysiologie en gedrag bezitten. Muizen zijn populair als modelorganisme vanwege hun korte voortplantingscyclus, kleine omvang en relatief gemak van DNA-modificatie. In 1984 stelde Paul Willner drie basisvalidatiecriteria voor ziektemodellen voor: de construct, het gezicht en de voorspellende validiteit, die worden gebruikt om de waarde van het model^{te bepalen 5}. Simpel gezegd, constructvaliditeit weerspiegelt de biologische mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van de stoornis, gezichtsvaliditeit vat de symptomen samen en voorspellende validiteit beschrijft de modelrespons op therapeutische geneesmiddelen.

Om aan de bovenstaande principes te voldoen, hebben we de meest voorkomende genetische etiologie gekozen, een grote deletie van de maternale 15q11.2-13q-locus inclusief het UBE3A-gen, om AS-modelmuizen te creëren. We gebruikten de CRISPR/Cas9-techniek om een 76.225 bp lang gebied te verwijderen dat het hele UBE3A-gen beslaat, dat zowel de coderende als niet-coderende elementen van het gen omvat, bij muizen met een C57BL/6N-achtergrond⁶. Vervolgens hebben we de dieren gefokt om UBE3A^+/− heterozygote muizen te verkrijgen. Voor gezichtsvalidatie van het model gebruikten we dieren van kruisingen van UBE3A+/⁻ vrouwtjes en wild-type mannetjes om UBE3A+/- nakomelingen te krijgen (stam genaamd C57BL/6NCrl-UBE3A/Ph en later toegewezen als UBE3A ^mGenedel/+) en controle nestgenoten. We testten hun fijne en grove motoriek, emotionaliteit en affect om de kern AS-symptomen samen te vatten. In een vorig artikel evalueerden we ook de cognitieve functies van de dieren, omdat AS-patiënten ook lijden aan een verstandelijke beperking⁶. We vonden echter geen cognitieve stoornissen bij UBE3A^mGenedel/+ muizen, misschien als gevolg van de jonge leeftijd van de dieren op het moment van testen⁷. Later onderzoek van de oudere dieren, ongeveer 18 weken oud, onthulde een tekort aan gedragsflexibiliteit tijdens omkeringsleren in het plaatsvoorkeurparadigma. De complexiteit van de gebruikte apparatuur voor deze analyse vereist echter een afzonderlijke methodologische module en deze is hier niet opgenomen.

De hier gepresenteerde gedragstests behoren tot de gebruikelijke fenotyperingsinstrumenten in genetisch onderzoek, dankzij hun hoge voorspellende waarde en voldoende constructvaliditeit ^8,9,10. We gebruikten deze tests om een muismodel van AS te valideren door kernsymptomen van de menselijke ziekte op een reproduceerbare, leeftijdsonafhankelijke manier samen te vatten. De emotionaliteit van het dier werd geëvalueerd in de verhoogde plus doolhof en open veld tests. Beide tests zijn gebaseerd op het benaderingsvermijdingsconflict, waarbij dieren een nieuwe omgeving verkennen op zoek naar voedsel, onderdak of paringsmogelijkheden en tegelijkertijd anxiogene compartimenten vermijden¹¹. Daarnaast wordt de open veld test gebruikt om de locomotorische activiteit van een muis te testen⁸. De staartsuspensietest wordt veel gebruikt in depressieonderzoek om te screenen op nieuwe antidepressiva of depressieve fenotypen in knock-outmodellen van muizen¹². Deze test evalueert de wanhoop die dieren in de loop van de tijd ontwikkelen in een onontkoombare situatie. Motorisch leren en gedetailleerde loopkarakteristieken werden respectievelijk bepaald op de rotarod en in DigiGait. Het uithoudingsvermogen van dieren op de versnellende staaf kenmerkt zijn evenwichts- en bewegingscoördinatievaardigheden, terwijl gedetailleerde analyse van de stappatronen van een muis een gevoelige evaluatie is van neuromusculaire stoornissen die verband houden met vele neurogeneratieve bewegingsstoornissen^13,14,15. De nestjesversnipperringstest maakt deel uit van de standaardmethodologie voor het detecteren van impulsief gedrag bij knaagdieren, en omdat het gebruik maakt van natuurlijk knaagdierbouwgedrag, geeft het het welzijn van het dier aan^16,17.

De grootte van de experimentele groepen was het resultaat van een compromis om te voldoen aan de eisen van de 3R-regel en efficiënt gebruik van kolonie-fokprestaties. Om statistische kracht te verkrijgen, hadden de groepen echter niet minder dan 10 individuen, vanwege de oprichting van een voldoende aantal broedparen. Helaas resulteerden fokprestaties niet altijd in voldoende dieren.